2材料的选择和结构设计
本次塔设计的塔体部分主要是由内压圆筒与上下两个封头组成。其中圆筒分为单层式和组合式。根据设计任务书中所给的原始数据,设计温度270℃,设计压力为0.4MPa,并没有其它的特殊要求,故选择单层式的圆筒结构设计。
2.1 材料选择:
根据设计温度270℃,设计压力为0.4MPa,查取GB150-2011,得到两种可供选用的材料,Q245R,Q345R[8]。
Q245R为碳素钢,是在20钢基础上发展起来的,主要对硫,磷等有害的元素的控制更加严格,对钢材的表面质量和内部缺陷控制的要求也比较高。碳素钢强度较低,塑性和可焊性较好,价格低廉,故常用于常压或中、低压容器的制造,也可用于支座、垫板等零部件的材料。
Q345R为低合金钢,是在碳素钢的基础上加入少量合金元素的合金钢,合金钢在热轧和热处理状态下除具有高的强度外,还具有优良的韧性、焊接性能、成形性能和耐腐蚀性能。采用低合金钢,不仅可以减小容器的厚度,减轻重量,节约钢材,而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因厚度太大所带来的各种困难。Q345R是屈服强度为340MPa级的压力容器专用钢板,它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能,主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器[9]。
2.2 根据设计压力和静液柱压力确定计算压力:
塔内液柱高度h仅考虑塔底至液封盘液面高度:h=4.5m
静液柱压力为:p=ρgh=875×9.8×4.5=38587.5pa=0.0385875MPa
因为静液柱压力大于设计压力的5%,故计算压力p_c=P+p=0.4+0.03=0.43MPa
根据GB150-2011,表4-2,Q245R,在T=300℃时,材料的许用应力[σ]t=108MPa, σb=400MPa, σs=245MPa。选择双面对焊接头,100%无损检测,选择φ=1.00。
0.4[σ]tφ=0.4X108X1=43.2MPa>Pc Pc符合使用范围
钢板厚度偏差C1=0.25mm,腐蚀余量C2=4mm,则厚度附加量C= C1+ C2=4.25mm。
筒体的计算厚度为:
δ=(p_c D_i)/(2[σ]tφ-p_c )=(0.43×2000)/(2×108×1-0.43)=3.98mm (2.1)
筒体的名义厚度:δ_n=δ+C=3.98+4.25=8.23向上圆整后,δ_n=10mm检查,当δ_n=10mm时,[σ]t没有变化,所以取名义厚度δ_n=10mm。
2.3 设计温度下,圆通的计算应力:
σ^t=(p_c (D_i+δ_e))/(2δ_e )
筒体的有效厚度:δ_e=δ_n-C=10-4.25=5.75mm
σ^t=(p_c (D_i+δ_e))/(2δ_e )=(0.43×(2000+5.75))/(2×5.75)=74.99
(2.2)
满足σ^t≤[σ]^t∅=108MPa。
2.4 Q245R与Q345R比较:
在T=300℃,Q345R材料的许用应力[σ]t=153MPa,σb=510MPa, σs=345MPa。选双面对焊接头100%无损检测:φ=1.00。钢板厚度负偏差C1=0.25mm,腐蚀余量C2=3mm,厚度附加量C=C1+C2=3.25mm。筒体的计算厚度为:
δ=(p_c D_i)/(2[σ]tφ-p_c )=(0.43×2000)/(2×153×1-0.43)=2.81mm
(2.3)
筒体的名义厚度:δ_n=δ+C=2.81+3.25=6.06mm,向上圆整后,δ_n=8mm。
检查:当δ_n=8mm时,[σ]t没有变化,所以取名义厚度δ_n=8mm。
筒体的有效厚度:δ_e=δ_n-C=8-3.25=4.75mm。
筒体的计算应力为
σ^t=(p_c (D_i+δ_e))/(2δ_e )=(0.43×(2000+4.75))/(2×4.75)=90.74MPa
(2.4)
满足σ^t≤[σ]^t∅=153MPa。
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